ATILA projekt Meltio 3D fémnyomtatás úttörő titán biogyógyászati implantátumok kifejlesztésében
• A kezdeményezés az ATILA kutatási projekt része – amelyet a Tudományos és Innovációs Minisztérium, az Európai Unió és az Állami Kutatási Ügynökség finanszíroz –, amely már megkezdte első eredményeinek bemutatását Spanyolországban.
• A projektet egy multidiszciplináris konzorcium vezeti, amelyet az AIDIMME koordinál, és amelyben aktívan részt vesz a Valenciai Általános Egyetemi Kórház Kutatási Alapítványa (FIHGUV), a Salamancai Egyetem Lézeralkalmazások és Fotonika kutatócsoportja (ALF USAL), valamint a Meltio vállalat.
• A projekt úttörő jellege abban rejlik, hogy először alkalmazza a hegesztőhuzalt (egy kevésbé szennyező eljárás, amely jelentősen kevesebb anyaghulladékot termel) más additív gyártási technológiákkal, például a fémpor alapú eljárásokkal szemben.
• Az ATILA kutatási projekt célja egy rendkívül védett additív gyártási folyamat tanulmányozása és fejlesztése, amely közvetlen fémfelhordásos (direct metal deposition) technológián alapul, több lézeres huzaltechnikát alkalmazva a nagy reakcióképességű anyagok feldolgozására.
Valencia (Spanyolország), 2025. január 15. – Az ATILA kutatási projekt ma egy újabb jelentős technológiai áttörést jelentett be, miközben áttekintette a 2024 során elért kutatási eredményeket. A valenciai Aidimme kutatóközpont telepített egy 3D nyomtatási technológia prototípust, amellyel Spanyolországban elsőként hoztak létre titánötvözetből készült orvosi implantátumokat. Ehhez a forradalmi 3D fémnyomtatási technológiát alkalmazták, amelyet a linaresi (Jaén) székhelyű spanyol multinacionális vállalat, a Meltio fejlesztett ki.
Az ATILA projekt előrehaladása
Az ATILA kutatási projekt – amelyet a Tudományos és Innovációs Minisztérium, az Európai Unió és az Állami Kutatási Ügynökség finanszíroz – célja egy magas védelmet biztosító additív gyártási folyamat tanulmányozása és fejlesztése. Ez a folyamat több lézer alkalmazásával történő közvetlen fémhuzal-lerakáson alapul, és különösen nagy reakcióképességű anyagok feldolgozására szolgál.
A projektet egy multidiszciplináris konzorcium vezeti, amelyet az AIDIMME koordinál. Aktív résztvevői a Valenciai Általános Egyetemi Kórház Kutatási Alapítványa (FIHGUV), a Salamancai Egyetem Lézeralkalmazások és Fotonika kutatócsoportja (ALF USAL), valamint a Meltio, amely huzal-lézer 3D fémnyomtatási megoldásokat fejleszt.
A spanyol Meltio vállalat különböző iparágak számára kínál megoldásokat, például: a Meltio M600 3D fémnyomtatót, a Meltio Engine integrációs készletet függőleges megmunkáló központokhoz, a Meltio Engine integrációs készletet ipari robotokhoz, valamint a Meltio Robot Cell rendszert.
„Összegzésképpen az ATILA projekt 2024-es kutatási előrehaladását követően magabiztosan kijelenthetjük, hogy bár a fémpor alapú additív gyártási technológiák (mint a PBF-LB/M és a PBF-EB/M) már léteznek, és lehetővé teszik titánötvözetből készült implantátumok előállítását számos előnnyel – beleértve az egyéni páciensekhez való alkalmazkodóképességet és a csontnövekedést elősegítő háromdimenziós struktúrák létrehozását –, ezek sem mentesek bizonyos korlátoktól.”
Az ATILA projektnek köszönhetően egy új implantátumgyártási technológia van fejlesztés alatt, amely DED-LB/M néven ismert, és titán hegesztőhuzalt használ alapanyagként. Ez a megközelítés jelentős versenyelőnyt biztosít, mivel garantálja az elkészült implantátumok minőségét, miközben csökkenti az anyagveszteséget.
A technológia legfőbb célja olyan előformák létrehozása, amelyek a lehető legközelebb állnak a végső termékhez, így minimalizálva a hulladékot a hagyományos megmunkálási módszerekhez képest, amelyek szilárd anyagtömbből indulnak ki.
Ez is kiemeli az ATILA projekt jelentőségét – magyarázza az ATILA projekt konzorciumának vezetősége.
A 2024-es év során jelentős előrelépések történtek a szabályozási előírásoknak megfelelő orvosi implantátumok gyártásának kutatásában és fejlesztésében:
– Egy tanulmány készült a DED-LB/M eljárás geometriai korlátainak meghatározására, amikor különböző összetettségű alkatrészeket gyártanak. Ez magában foglalta különböző dőlésszögekkel rendelkező formák létrehozását, valamint legfeljebb 3 mm átmérőjű hengerek előállítását. Meghatározták a maximális dőlésszöget, amely még nem vezet az anyag megereszkedéséhez, valamint a legkisebb elérhető átmérőt egy 1 mm átmérőjű Ti6Al4V huzal felhasználásával.
1. ábra: Különböző alkatrészeket gyártottak a Ti6Al4V anyag geometriai korlátainak meghatározására a DED-LB/M technológia alkalmazásával.
– Ezzel egy időben hőkamerás ellenőrzéseket végeztek minden gyártási folyamat során, amely egy adott ponton figyelte az egyes lerakott rétegek hőmérsékletét. Ezt azért tették, hogy biztosítsák a szükséges mikrostruktúrális és kémiai összetételi jellemzők betartását.
– Az összegyűjtött adatok elemzése segít megoldani a titán feldolgozásával kapcsolatos kihívásokat, különösen annak magas oxigénreaktivitását, ezáltal biztosítva az egészségügyi szektor szigorú szabályozási követelményeinek való megfelelést.
– Orvosi implantátum prototípusok megvalósíthatósági tanulmánya: Megvizsgálták különböző orvosi implantátum prototípusok gyárthatóságát, többek között egy csontrészpótlásra szolgáló, szár nélküli ketrecet (vállhoz), egy distalis radius lemezt (alkarhoz), egy csavar nélküli koponyaimplantátumot (koponyához) és egy acetabuláris implantátumot (csípőhöz).
A Fundación de Investigación del Hospital General Universitario FIHGUV biztosította a szükséges implantátum terveket (rajzokat és STL fájlokat) az AIDIMME számára. Ezen terveket geometriailag módosították, hogy alkalmazkodjanak a DED-LB/M technológia képességeihez, beleértve a szükséges lekerekítési beállításokat. Ezeken a képeken az implantátumok előformái láthatók. A szükséges precizitás miatt ezeket az előformákat meg kell munkálni a végső használatra, ahol a szükséges megmunkálási és felületkezelési folyamatokat végzik el.
– Mechanikai és mikrostruktúrális tulajdonságok vizsgálata: Jelenleg Ti6Al4V grade 5 és 23 blokkokat gyártottak le, hogy mintákat készítsenek mechanikai tesztekhez, mikrostruktúrális jellemzéshez és a szükséges hőkezelésekhez. A következő hónapokban ezt a jellemzést/ellenőrzést befejezik, és implantátumokat gyártanak az első in vivo és in vitro tesztekhez, amelyeket a FIHGUV végez el.
– Az ATILA Projekt terjesztési tervének részeként a spanyol multinacionális Meltio, amely az ipari 3D fémnyomtatási megoldások vezető gyártója, webináriumot tartott, amelyen 82 szakember vett részt az egészségügyi technológiai szektorból. Az előadás címe: „Az egészségügy átalakítása: Az első biomedikai titán 3D implantátumok, amelyeket a Meltio technológia megerősítésével nyomtattak.”
2. ábra: Hőkamerát helyeztek el az ATILA prototípuson, valamint több lerakott Ti6Al4V réteg hőmérsékleti története a DED-LB/M technológia alkalmazásával.
A webinárium során bemutatásra került az ATILA prototípus, valamint az eddig elvégzett kémiai, hőmérsékleti és mikrostruktúrális jellemzés. A gyártott demonstrátorokat is bemutatták, és az ATILA projekt jövőbeli kihívásait is megvitatták.
Ez a kutatási projekt, amely különböző szervezetek konzorciumából áll, a titánból készült orvosi implantátumok különböző felhasználási és alkalmazási lehetőségeit vizsgálja, különös figyelmet fordítva a Ti64-ELI típusú titánra. A projekt kihasználja a spanyol multinacionális cég, a Linares-i székhelyű Meltio egyedülálló 3D fémnyomtatási technológiáját. Az újítás abban rejlik, hogy először Spanyolországban összpontosítanak a 3D-nyomtatott titán alkatrészek potenciális alkalmazásaira, hegesztőhuzal technológia alkalmazásával. Ellentétben más technológiákkal, mint a fémpor alapú eljárások, a hegesztőhuzal technológia hatékonyabb, kevesebb szennyeződést eredményez, és kevesebb anyagveszteséggel jár, ami hozzájárul a gyártási folyamat szénlábnyomának csökkentéséhez.
A közvetlen fém lézeres lerakás (DED-LB/M) additív gyártási folyamat lehetővé teszi alkatrészek építését úgy, hogy az alapanyagot por vagy huzal formájában adja hozzá. A huzal alapú DED-LB/M technológia több előnnyel is rendelkezik, például a por alapú eljárásokhoz képest alacsonyabb folyamat-szennyeződést, jó lerakási sebességet, viszonylag alacsony költségeket és magas nyersanyagkihasználást (szinte 100%-os hatékonyságot) biztosít.
Az egyik kritikus szempont a folyamatban a fém és az oxigén kölcsönhatása, ami jelentős kihívást jelenthet a titánhoz hasonló, erősen reakcióképes anyagok feldolgozásakor.
Additív gyártás során a fém hajlamos felszívni az oxigént a melegítési fázisban és a folyamatosan lerakott rétegek miatt. Az oxigén tartalomnak nem szabad túllépnie a vonatkozó előírásokban meghatározott maximális határértékeket, amelyek az implantátumokra vonatkoznak. Az UNE-EN ISO 5832-3:2017 szabvány szerint, amely a sebészeti implantátumokhoz használt fém anyagokat szabályozza, a Ti6Al4V grade 5 esetében a maximális megengedett oxigén tartalom 0,2%, míg a Ti6Al4V ELI esetében 0,13%. Az ASTM F136-21 szabvány, amely a Ti6Al4V ELI-re vonatkozik, még szigorúbb oxigén határt állapít meg.
3. ábra: Szár nélküli ketrec formák csontrészpótláshoz és distalis radius lemez formája.
4. ábra: Proforma distalis radius lemez és acetabuláris implantátum proforma.
A védőgáz használata, amely koaxiálisan a megolvadáshoz van csatlakoztatva, jellemző a DED technológiára – amely az alkatrészt azáltal hozza létre, hogy a szilárd fém anyagot megolvasztja, és rétegről rétegre építi fel a Meltio 3D nyomtatójával –, hogy biztosítsa a magas anyaglerakási hatékonyságot és a nyomtatási minőséget.
A FIHGUV-ról:
A Valenciai Általános Egyetemi Kórház Kutatási Alapítványa (FIHGUV) egy non-profit szervezet, amely 1999 óta végez multidiszciplináris biomedikai és klinikai kutatásokat élvonalbeli technológia alkalmazásával, és együttműködik különböző innovációs rendszerek szereplőivel, amelyek regionális, nemzeti és nemzetközi hírnévvel bírnak (https://fihguv.es/). Az Alapítvány irányítja a Consorcio Hospital General Universitario de Valencia kutatásait és annak egészségügyi osztályát, mindig a tudományos, egészségügyi és biomedikai kutatás előmozdítása, ösztönzése és fejlesztése érdekében.
Az alapítvány létesítményei számos laboratóriummal rendelkeznek, melyek a kutatási projektekhez szükséges technológiával vannak felszerelve, hogy támogassák a legfontosabb kutatásokat, és elősegítsék az orvosi és sebészeti folyamatok fejlesztésére irányuló új módszerek keresését. Továbbá rendelkezik egy Klinikai Kutatási Egységgel, egy Tudományos Üzleti Innovációs Egységgel, amelyet az AVI finanszíroz, és egy Szimulációs Központtal a szakemberek képzésére, valamint egy televíziós stúdióval, amely elősegíti a tudományos és innovációs kutatásokat és azok terjesztését orvosi szakemberek által.
35 kutatócsoporttal több mint 1500 cikket, 50 könyvfejezetet és 13 könyvet publikáltak, 18 szabadalmat regisztráltak és 22 díjat nyertek. 2022-ben 54 versenyképes projektet finanszíroztak, ami 12,5%-os növekedést jelentett a 2021-es évhez képest. Az innováció területén a FIHGUV vezető szerepet vállalt innovatív projektekben, például Spanyolország első Robotikai Sebészeti Tanszékének létrehozásában, és együttműködött az ITT-vel és egyetemekkel. Az Alapítvány különböző kiválósági struktúráknak ad otthont, mint például a CIBER (CIBER-ONC és CIBER OBN) kutatócsoportjai, valamint az új Biomodellek és Biobankok Platformja (SAIBSAL), amely a spanyol Carlos III Egészségügyi Intézethez tartozik.
A USAL-ról:
A Salamanca Egyetemen (USAL) egy új titán 3D nyomtató prototípus digitális ikertestvére készül az AIDIMME és a MELTIO közreműködésével, lézerhegesztő huzal technológia alkalmazásával, miközben nanostruktúrák kialakítását vizsgálják ultrarövid impulzusú lézerek segítségével a biomedikai implantátumok fejlesztésének érdekében.